油田螺杆泵井新型封井器的研制与应用_刘丽.pdf

试验研究/Testing Research石油石化节能 https:/螺杆泵井作为一种常规采油设备1，由于具有受抽吸液体黏度影响小、设备占地面积小、投资少、效率高、运行平稳、噪音小、便于管理等优点2，特别是在聚合物驱和三元驱采出井应用中更油田螺杆泵井新型封井器的研制与应用刘丽1张有兴2汲红军1赵海涛1胡延军3（1.大庆油田有限责任公司第二采油厂；2.大庆油田有限责任公司第一采油厂；3.大庆油田有限责任公司第六采油厂）摘要：油田开发中螺杆泵的应用范围极为广泛，在提高油气开采效率上发挥了重要作用。螺杆泵采油设备经过多年的技术研究和应用，设备运行的稳定性及可靠性不断提升，螺杆泵井相关技术已日趋成熟，但在驱动装置部分配套设计上仍有改进潜力。特别是螺杆泵井驱动装置封井器由于年久腐蚀及操作磨损等原因，芯体和橡胶密封体经常性损毁，操作工人更换芯体时必须压井后将井下液体放空，确认无压后才能进行维修操作，极易造成环境污染，同时也延长了处理故障的时间，增加了维修成本。为此，研制了油田螺杆泵井新型封井器，实现不停机、不压井对封井器维修。维修时间由改进前 4 h缩短为 0.5 h，并避免了单井占产损失 8.5 t，累计挽回产量损失 850 t，创经济效益 295 万元。节约维修成本 1/3 以上，减轻劳动强度，减少操作程序、不可控环节以及环境污染。关键词：螺杆泵井；新型封井器；不压井DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2023.01.001Development and application of new well sealer for oilfield screw pump wellsLIU Li1，ZHANG Youxing2，JI Hongjun1，ZHAO Haitao1，HU Yanjun31No.2 Oil Production Plant of Daqing Oilfield Co，Ltd2No.1 Oil Production Plant of Daqing Oilfield Co，Ltd3No.6 Oil Production Plant of Daqing Oilfield Co，LtdAbstract：In oilfield development，screw pump has a very wide range of applications and plays animportant role in improving oil and gas production efficiencyAfter years of technical research and ap-plication of screw pump oil production equipment，the stability and reliability of equipment operationhave been continuously improvedThe related technology of screw pump well has become increasinglymature，but there is still potential for improvement in the supporting design of the driving deviceInparticular，the core and rubber sealing body of the well sealing device of the screw pump well drive de-vice are often damaged due to long-term corrosion and operational wearWhen replacing the core，the operators must vent the downhole fluid after pressing well to ensure that the maintenance operationcan be carried out after no pressure is applied，which is very easy to cause environmental pollution，prolong the time of fault treatment and increase the maintenance costTherefore，the new well sealerof screw pump wells is developed to realize the maintenance of the well sealer without shutdown andpressure wellThe maintenance time is shortened from four hours to half hour and the single well pro-duction loss of 8.5 tons is avoidedThe cumulative recovery production loss was 850 tons and the eco-nomic benefit was 2.95 million yuan，which saves more than one third of maintenance cost，reduceslabor intensity and operating procedures，uncontrollable links and environmental pollutionKeywords：screw pump well；new well sealer；no pressure well第一作者简介：刘丽，1998年毕业于大庆职工大学（采油工程专业），从事采油工作，13936753373，黑龙江省大庆油田有限责任公司第二采油厂第六作业区 48队，163000。引文：刘丽，张有兴，汲红军，等油田螺杆泵井新型封井器的研制与应用J石油石化节能，2023，13（1）：01-04.LIU Li，ZHANG Youxing，JI Hongjun，et alDevelopment and application of new well sealer for oilfield screw pump wellsJEnergy Conservation in Petroleum&PetroChemical Industry，2023，13（1）：01-04.1石油石化节能 https:/刘丽等：油田螺杆泵井新型封井器的研制与应用 第 13卷第 1期（2023-01）为明显，通过近年来的不断改进完善，在油田得到了广泛应用，目前在大庆油田有近 10 000套螺杆泵采油设备。虽然螺杆泵井驱动装置配套已较为成熟3-4，但是驱动装置配套封井器部分，结构设计仍有优化潜力。螺杆泵井驱动装置封井器由于使用年限和操作过程中磨损等原因，经常造成封井器芯体和橡胶密封体损毁，而维修工人更换芯体时必须压井5，并在停机放压后，确保井下无压情况下才能进行维修操作6，既延长了处理故障时间，增加了维修成本，同时增大了操作强度，也易造成环境污染7，给油田的正常生产带来不便8。某单位每年因螺杆泵井维修更换封井器，进行压井施工 35 井次，因压井效果欠佳，采用小修作业措施 5 井次，共造成经济损失近 200 万元，主要包括特殊车辆成本、时率减产和污染治理等费用9。经过研制螺杆泵井新型封井器10，有效解决上述问题，实现不停机、不压井对封井器进行维修。螺杆泵井新型封井器投入使用后，摆脱了更换封井器芯体时对站内、站外压井设备的依赖，从根本上解决了更换芯体不便的难题，节约了生产运行成本。1螺杆泵井驱动装置封井器1.1结构分析螺杆泵井驱动装置封井器安装于直驱电动机下部，整体为多通结构。在主体结构垂直于轴线方向，对称布置两个封井器安装端口，端口前段安装芯体。芯体为封井器的核心部件，其整体为圆柱结构，前端纵向为半圆形光杆卡口，并镶嵌有橡胶密封体。芯体后端连接的丝杠利用螺纹配合与端口压盖进行连接，通过对丝杠的旋转操作，带动芯体向内运动，当两侧芯体与螺杆泵井光杆发生接触并卡紧后，芯体的定位牙将光杆进行机械定位，使光杆无法再发生上下窜动，而芯体前端镶嵌的橡胶密封体则通过对光杆的环抱，实现封卡部位上下部的隔断密封，从而可实现封井器以上驱动装置各部件的更换维修。螺杆泵井封井器见图 1。图 1螺杆泵井封井器Fig.1 Sealer of screw pump well基于原螺杆泵井驱动装置封井器所固有的结构原理，封井器自身发生故障后，如对其进行维修，则需要对封井器的压盖、丝杠、芯体及导向螺丝等各部位进行拆卸，而封井器芯体部分所处空间与螺杆泵井井下直接相通。1.2维修过程分析更换封井器芯体时需要压井作业，对井下压力进行平衡，再经过泄压后方可对封井器进行维修。通常压井作业有两种方式，一是利用转油站对作业井进行压井，实现井筒内的压力平衡。二是在作业井无热洗条件的情况下，则需要使用压井高压泵车1 台，水罐车 4 台进行压井，实现井筒内的压力平衡，从而达到拆卸井口维修的目的。此压井过程不仅需要5台特种车辆配合完成作业，并需要用时2 h，后续放压及维修时间 2 h。根据以上分析，需要维修的封井器主要部件芯体与螺杆泵井井下为同一压力系统，并且无任何隔离机构，说明维修此压力系统中任何一部件时，均需要平衡井下压力源压力，才能进行维修操作，而要实现这一功能，则需要对整体压力系统进行分隔，从而达到分区、分块维修的目的。2螺杆泵井新型封井器技术2.1结构组成油田螺杆泵井新型封井器在原封井器基础上进行改进，主要由主体、泄压腔、丝杠、溢流管快速接头、溢流管、控制阀门、芯体等部分组成。新型封井器将连接端口连接方式改为外螺纹连接，并在其侧壁增加溢流管。连接端口外螺纹连接控制阀门，控制阀门外端连接泄压腔。泄压腔为管式结构，其外部布置有两个溢流管，管口采用内六方顶针式溢流阀控制。泄压腔上还布置有导向螺丝，用于与芯体上的导向槽配合，保证芯体只产生轴向运动，而不发生周向偏转。同时由于芯体行程的增长，相应驱动丝杠的整体长度也要增加，同时在丝杠加长后，在承受相同前顶力的情况下易发生弯曲，为此在原丝杠直径基础上增加 5 mm，以确保丝杠强度。丝杠后端与压盖通过螺纹配合，实现丝杠的往复运动，压盖则通过外螺纹与泄压腔外端的内螺纹实现连接，并通过导向螺丝进行定位，新型封井器结构见图 2。2试验研究/Testing Research石油石化节能 https:/图 2新型封井器结构Fig.2 Structure diagram of new type sealer2.2工作原理油田螺杆泵井新型封井器的设计原理是在原螺杆泵封井器安装端口前端增加一套控制阀门，达到分隔压力空间的目的。基于以上原理，将螺杆泵井封井器安装端口分为两段设计，中间部位增加控制阀门，安装端口整体长度由原来的 450 mm 加长到630 mm，并在控制阀门两侧分别增加溢流管，用于维修前泄压使用。基于球形阀具有通道空间大，通过性好的特点，选择球形阀作为控制阀门，保证芯体可在控制阀内部顺利穿过。在封井器芯体维修更换时，逆时针转动丝杠，丝杠与压盖的螺纹配合使丝杠整体向外运行，从而带动芯体向外运行。当芯体运行至控制阀门外端后，关闭控制阀门，就会将封井器连接端口与泄油腔之间关断，形成两个独立的压力空间。在控制阀门关断后，利用泄油管对芯体两侧分别进行泄压，当无压后即可对封井器进行拆卸，实现了不停机、不压井维修。同时有效避免了更换封井器芯体时采出液喷出等安全隐患，减少环境污染，减少操作环节及操作程序，新型封井器现场应用见图 3。图 3现场应用Fig.3 Field application2.3实施过程该装置安装在螺杆泵井驱动装置电动机下端，当螺杆泵井封井器芯体发生损坏后，只需将封井器丝杆开至最大，关闭控制阀门，即可切断井底压力，封井器内的剩余井液流入泄压腔，经溢流管放空后，将芯体卸出，即可进行更换，不需停机及压井。具体操作步骤：1）卸下旧芯体。卸松两侧导向螺丝；将丝杠旋出阀体 40 cm；关闭控制阀门；打开溢流管部位放空装置，进行放空；卸松压盖锁紧螺栓；使用专用工具卸松压盖；使用专用工具取出芯体。2）安装新芯体。缓慢装入芯体，保持芯体导向槽与封井器导向螺丝平齐；安装压盖，并使用专用工具旋紧；锁紧压盖锁紧螺栓；关闭放空装置；打开控制阀门，检查渗漏；旋入阀体；安装两侧导向螺丝；重新打开封井器 10 cm距离。整个过程达到无采出液喷出，减少环境污染和操作环节的目的。维修时间从原来的4 h缩短为0.5 h，工作效率提高 8倍，解决了维修、更换螺杆泵井封井器芯体耗时长、工作量大、成本高的生产难题。3现场试验及应用效果3.1现场试验情况油田螺杆泵井新型封井器加工试制成功后，首先选取某单位所管辖 N5-21-P37 井进行安装试验。该井产液量高，采出液腐蚀性大，连续 3 a 出现封井器阀芯每年损坏 2次的现象，每次更换需要高压泵车进行压井，用水量均在 50 m3以上，压井作业2 h，压井后进行放压及维修更换用时 2 h，需要大量设备及人工成本，同时在维修后需要 3 d 时间恢复生产能力，造成一定产量损失。2016 年 5 月 16日，利用井下作业时机将该井封井器更换为油田螺杆泵井新型封井器。更新后，该井在 2017年 3月 11日维修驱动装置机械密封时发现，封井器出现关闭不严现象，需要对封井器芯体进行更换。在外旋封井器芯体至泄油腔后，关闭控制阀门，通过溢流管进行放压，拆卸压盖后取出芯体，并将新芯体装入，安装压盖，恢复装置正常状态。在封井器芯体更换后，立即关闭测试密封效果，达到密封要求后进行了下步井口机械密封维修，效果较好。在油田螺杆泵井新型封井器试验取得初步效果后，选取 4口井进一步扩大了试验规模，油田螺杆泵井新型封井器现场试验情况见表 1。3.2规模应用情况由于螺杆泵井新型封井器在试验中取得了良好的应用效果，并高度适于螺杆泵井现场需要，于2019 年 10 月进行了推广，共计推广应用 45 井次（不含试验井 5口），在生产中摆脱了更换封井器芯体时对站内、站外压井设备的依赖，从根本上解决了更换芯体不便的难题，维修时间由改进前 4 h 缩3石油石化节能 https:/刘丽等：油田螺杆泵井新型封井器的研制与应用 第 13卷第 1期（2023-01）短为 0.5 h，并避免了单井占产损失 8.5 t，累计挽回产量损失 850 t，创经济效益 295万元。节约了采油单位的运行成本，减轻劳动强度，减少操作程序、不可控环节及环境污染。4结束语油田螺杆泵井新型封井器通过在芯体安装部位建立压力分隔系统，在原来的单一压力系统中划分出一个独立的压力控制系统，使封井器独立于井下压力系统之外，实现了单独控制，独立维修功能，有效解决了螺杆泵井封井器维修需要压井、停机的问题，省去了压井过程所需的特种车辆台班成本及人工成本，提高工作效率 8倍，消除安全隐患，清洁生产“零”污染，适用于在生产现场全面推广应用。参考文献：1 王远，刘德生，韩宗元，等浅谈直驱电机螺杆泵举升配套技术规模化应用实践及认识J中国设备工程，2021（S1）：191-194WANG Yuan，LIU Desheng，HAN Zongyuan，et alTalkabout the large-scale application practice and understandingof lifting supporting technology direct drive motor screw pumpJChina Equipment Engineering，2021（S1）：191-1942 刘燕，曲晓峰采油螺杆泵故障原因分析及对策J石油石化物资采购，2021（1）：50 LIU Yan，QU Xiaofeng Analysis and countermeasures offault causes of oil production screw pumpJPetroleum andPetrochemical Materials Procurement，2021（1）：503 崔俊国，高翔，邹文强，等潜油永磁同步电机直驱螺杆 泵 采 油 实 验 平 台 J 实 验 技 术 与 管 理，2020，37（9）：122-126CUI Junguo，GAO Xiang，ZOU Wenqiang，et alExperi-mental platform of oil production for direct drive screw pumpof oil permanent magnet synchronous motorJExperimentalTechnology and Management，2020，37（9）：122-1264 邹龙庆，崔洪源，付海龙，等电磁制动偏置式螺杆泵地面驱动装置研究J石油矿场机械，2014（5）：66-69ZOULongqing，CUI Hongyuan，FUHailong，et alResearch on ground drive device of electromagnetic brakebias screw pumpJ Petroleum Mining Machinery，2014（5）：66-695 王君涛浅析热洗清蜡泵车排量与抽油井抽汲参数的关系J石化技术，2015（1）：67WANG Juntao A brief analysis of the relationship betweenthe displacement of hot wash wax pump truck and thepumping parameters of pumping wellsJ PetrochemicalIndustry Technology，2015（1）：676 张云鹏运用 QC 方法提高螺杆泵驱动装置大修拆卸效率J设备管理与维修，2022（1）：44-46ZHANG Yunpeng The use of QC method to improve theefficiency of overhaul and disassembly of progressive cavitypump drive deviceJPlant Maintenance Engineering，2022（1）：44-46.7 屈文涛，闫皓，孙艳萍，等地面驱动螺杆泵井故障诊断方法J机械设计与研究，2021，37（2）：159-162QU Wentao，YAN Hao，SUN Yanping，et al FaultdiagnosismethodofgrounddrivescrewpumpwellJMechanical Design and Research，2021，37（2）：159-1628 么莹螺杆泵的维护与管理探析J中国设备工程，2022（5）：53-54YAO YingAnalysis on the maintenance and management ofscrew pumpJChina Equipment Engineering，2022（5）：53-549 陈锐，韩岐清，郑小雄，等电动潜油螺杆泵举升工艺技 术 优 化 研 究 与 应 用 J 天 然 气 与 石 油，2018，36（4）：64-67CHEN Rui，HAN Qiqing，ZHENG Xiaoxiong，et alRe-search and application of optimization technology of liftingprocess for electric submersible screw pumpJNatural Gasand Petroleum，2018，36（4）：64-6710 张庆平，刘丽油田专用防盗可带压维修封井器：中国，201720273034.7P2017-10-17ZHANG Qingping，LIU Li Seal device with pressuremaintenanceofoilfieldspecialanti-theft：China.201720273034.7P2017-10-17收稿日期20220412（编辑马英萍）表 1油田螺杆泵井新型封井器现场试验情况Tab.1 Field test of new type sealer for screw pump well in oilfield井号N5-21-P37N5-20-P47N5-10-SP37N4-31-P40N4-D21-P2135安装时间2016-05-162017-05-212017-02-172017-06-032017-06-15封井器一次维修维修时间2017-03-112018-03-052018-02-122018-06-212018-11-02维修原因橡胶密封体损坏橡胶密封体损坏芯体卡口损坏橡胶密封体损坏芯体卡口损坏维修用时/min2522322031降低产量损失/t9.07.95.88.99.6封井器二次维修维修时间2018-06-282019-06-132020-01-172019-10-112020-06-23维修原因橡胶密封体损坏橡胶密封体损坏橡胶密封体损坏橡胶密封体损坏橡胶密封体损坏维修用时/min3032252835降低产量损失/t9.07.95.88.99.64